• CFD
• numerical discretisation
• numerical diffusion
• supercritical pressure
• stability
• heating structure

Innovative supercritical water reactors (SCWRs) may show flow instabilities in close similarity with phenomena predicted and observed in existing Boiling Water Reactors (BWRs). Such similarity between subcritical and supercritical pressure instability phenomena was pointed out long ago in pioneering works by N. Zuber and were more recently confirmed by numerical works pointing out the possible occurrence of both static and dynamic instabilities at supercritical pressure, namely of the Ledinegg and density wave oscillation types. Dimensionless numbers similar to the ones used for two-phase flow conditions have been also proposed in order to characterise these phenomena.

Even recent works still tend to cope with the prediction of flow instabilities observed in experimental apparatuses on the basis of a purely thermal-hydraulic approach, neglecting the presence of heat conduction in passive and active structural walls, sometimes claiming possible success. Actually, the presence of heating structures should not be neglected, also as a consequence of the great sensitivity of dynamic stability phenomena to their heat capacitance, having a clear role in damping excursive oscillating behaviour. A reason for the observed greater effects of heating structures at supercritical pressure with respect to the case of two-phase flow instabilities is the definitely lower capacity of the coolant fluid before and beyond the peak in specific heat observed at the pseudocritical temperature.

In the frame of a third IAEA Coordinated Research Project on SCWRs, aiming to close some of the open issues in this technology, the problem is now targeted for being attentively scrutinised. In front of the scarce experimental data available that sometimes provide counterfeiting information with respect to the one proposed by models, a varied modelling approach must be used, searching for possibly overlooked ingredients in the currently adopted numerical recipes. In the present work, different modelling techniques have been adopted, ranging from the use of 1D time-domain and frequency domain in-house programmes, to system codes and CFD. With reference to some experimental data appeared in literature, an attentive discussion is carried out on the possible reasons for discrepancies between observations and numerical results, aiming to contribute to clarify this open issue.








I reattori innovativi ad acqua supercritica (SCWR) possono presentare instabilità di flusso molto simili ai fenomeni previsti e osservati negli attuali reattori ad acqua bollente (BWR). Tale somiglianza tra i fenomeni di instabilità a pressione subcritica e supercritica è stata evidenziata molto tempo fa nei lavori pionieristici di N. Zuber e più recentemente è stata confermata da lavori numerici che hanno evidenziato il possibile verificarsi di instabilità sia statiche che dinamiche a pressione supercritica, in particolare del tipo Ledinegg e oscillazione dell'onda di densità. Per caratterizzare questi fenomeni sono stati proposti anche numeri adimensionali simili a quelli utilizzati per le condizioni di flusso bifase.

Anche i lavori più recenti tendono ancora ad affrontare la previsione delle instabilità di flusso osservate negli apparati sperimentali sulla base di un approccio puramente termoidraulico, trascurando la presenza della conduzione del calore nelle pareti strutturali passive e attive, a volte rivendicando un possibile successo. In realtà, la presenza di strutture riscaldanti non dovrebbe essere trascurata, anche in conseguenza della grande sensibilità dei fenomeni di stabilità dinamica alla loro capacità termica, che ha un chiaro ruolo nello smorzare i comportamenti oscillatori eccitanti. Una ragione dei maggiori effetti osservati delle strutture di riscaldamento a pressione supercritica rispetto al caso di instabilità del flusso bifase è la capacità decisamente inferiore del fluido refrigerante prima e oltre il picco di calore specifico osservato alla temperatura pseudocritica.

Nell'ambito di un terzo progetto di ricerca coordinata dell'AIEA sugli SCWR, volto a risolvere alcune delle questioni aperte in questa tecnologia, il problema è ora oggetto di un attento esame. A fronte degli scarsi dati sperimentali disponibili, che talvolta forniscono informazioni contraffatte rispetto a quelle proposte dai modelli, è necessario utilizzare un approccio modellistico vario, alla ricerca di ingredienti eventualmente trascurati nelle ricette numeriche attualmente adottate. Nel presente lavoro sono state adottate diverse tecniche di modellazione, che vanno dall'uso di programmi interni 1D nel dominio del tempo e della frequenza, ai codici di sistema e alla CFD. Con riferimento ad alcuni dati sperimentali apparsi in letteratura, viene condotta un'attenta discussione sulle possibili ragioni delle discrepanze tra osservazioni e risultati numerici, con l'obiettivo di contribuire a chiarire questo problema aperto.